复合材料的力学性能.ppt

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1、第7章复合材料的力学性能东南大学材料学院张友法内容提要7.0复合材料概述7.1复合材料的变形7.2连续纤维增强复合材料的强度7.3短纤维增强复合材料的强度7.4纤维增强复合材料的断裂与疲劳7.0复合材料概述人类发展史和材料发展史息息相关。人类历史上各方面进步与新材料的发现、制造和应用分不开。新材料时代（高分子材料、复合材料和智能材料）。石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代新材料时代复合材料发展史天然复合材料：竹、木、茅草、贝壳、骨骼传统复合材料：麻刀（纸筋）石灰；土坯（草秆、粘土）；钢筋混凝土；通用复合材

2、料：1940年，玻璃纤维增强塑料（GFRP）先进复合材料：1960年后，结构复合材料→单功能复合材料→多功能复合材料→机敏材料和智能材料。什么是复合材料？两种或两种以上不同性能、不同形态的固体材料，以微观或宏观的形式复合而成的一种多相材料，性能与组成物质不同。命名：增强物名在前，基体名在后，如碳纤维环氧复合材料。基体相-连续的，粘结、支持、保护增强物和传递应力作用。增强相-分散的，被基体包围，承受载荷作用。近代复合材料主要有纤维增强复合材料和粒子增强复合材料。复合材料按基体材料分类复合材料按功能分类复合材

3、料的应用-飞机用增韧石墨石墨混杂复合材料玻璃纤维空中巨无霸-A380机身蒙皮-GLARE材料目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，部分直升机已达90%超级跑车-碳纤维复合材料碳纤维/树脂复合材料生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的A级RTP复合材料新型日光温室复合材料温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成热塑性复合材料碳/碳复合材料复合材料的性能特点比强度、比刚度（比模量）大力学性能可以设计抗疲劳性能好减震性好通常都能耐高温过载时安全性好有很好的加工工艺性典型复合材料和常用材料性能对比材料密度(g

4、/cm3)拉伸强度(GPa)比强度107(mm)拉伸模量(GPa)比模量109(mm)冲击强度(kg·cm/cm2)碳纤维/环氧1.61.811.31288.076硼纤维/环氧2.11.67.622010.5-碳化硅纤维/环氧2.01.57.51306.5260石墨纤维/铝2.20.83.623110.5-钢7.81.41.82102.7-铝合金2.80.51.7772.8-钛合金4.51.02.21102.4-7.1复合材料的变形常规材料：均质，各向同性；复合材料：①非均质，位置影响性能②各向异性，

5、不同方向性能不同7.2连续纤维增强复合材料的强度7.2.1各向异性材料的应力-应变关系略7.2.2单层板的应力-应变关系略7.2.3单层板强度理论略连续纤维在基体中呈同向平行等距排列。单向连续纤维增强复合材料7.2.4单向复合材料微观力学性能弹性模量由纤维和基体的性能及其相对体积含量共同确定。细观结构单元1方向：ε1=εf=εm2方向：ε2=Vfεf+Vmεm，σ=σf=σm单元在1方向拉伸复合材料单元上的合力：混合定则：纤维和基体对复合材料的力学性能所做的贡献与其体积分数成正比。ε1=εf=εm碳纤维/

6、环氧树脂复合材料的相关数据如下：实测值为，与预测值较接近。举例求E1？单元在2方向单向拉伸ε2=Vfεf+Vmεm，σ=σf=σm图7-5E2/Em随纤维体积含量的变化图7.2.5纵向应力-应变曲线基体和纤维应力应变曲线变形和断裂：①纤维和基体弹性变形；②纤维弹变，基体非弹变；③两者都非弹变；④纤维断裂，进而整体断裂。复合材料的应力－应变曲线特征曲线处于纤维和基体的应力－应变曲线之间。曲线的位置取决于纤维的体积分数。纤维体积分数越高，曲线越接近纤维的应力－应变曲线；当基体体积分数高时，曲线则接近基体应力－

7、应变曲线。7.3短纤维增强复合材料的强度类型：单向短纤维增强面内短纤维杂乱增强空间短纤维杂乱增强性能（与同类长纤维增强材料相比）：纤维少，作用弱，性能变差，但横向拉伸强度和剪切强度高，可制复杂件，效率高。纤维增强复合材料力学特性短纤维增强复合材料的应力传递单纤维微元体：纤维线弹性，界面结合完全。纤维上的应力分布：理想状态下纤维应力沿纤维向的变化情况若假设纤维末端不传递正应力，即σf0=0，纤维上正应力分布可简化为：正应力随纤维长度增加而增加。纤维临界长度纤维传递应力达到其强度极限时的纤维最小长度称为临界长

8、度。短纤维复合材料中纤维的长度应大于临界长度，这时才可能充分发挥纤维的增强作用。7.4纤维增强复合材料的断裂与疲劳断裂过程：形成微观裂纹；微观裂纹稳定扩展，与其它微观裂纹相接而达到宏观裂纹尺度；在临界应力水平下宏观裂纹不稳定扩展。断裂方式：单个组分断裂或组分间界面分离（如层合板）。树脂基层合板的损伤形式基体强度比纤维低两个数量级，层间薄弱，易形成层间分离，是其主要损伤形式。分层后，板强度和刚度明显下降。分层主要因素：制造缺陷引